При посадке пассажирский самолёт может двигаться относительно полосы со скоростью около 250 км/ч. В момент касания колёса основных стоек почти не вращаются, но за доли секунды набирают более тысячи оборотов в минуту. Одновременно каждая шина принимает многотонную нагрузку, деформируется и работает рядом с сильно нагретыми тормозами.

Выдержать такой режим помогает не одна «особо прочная» резина, а весь комплекс: амортизаторы шасси, высокое давление, армированный каркас, сухой азот, тормозная автоматика и защита колёс от перегрева.

Посадочная скорость — не сила удара

Скорость 250 км/ч относится прежде всего к горизонтальному движению. Самолёт не падает на полосу с такой скоростью: перед касанием его вертикальная скорость значительно меньше, а крыло всё ещё создаёт подъёмную силу. Нагрузка переходит на шасси постепенно.

Основную энергию вертикального толчка поглощает масляно-газовый амортизатор стойки. Шина тоже сжимается и смягчает удар, но является лишь одним элементом системы. Кроме того, масса самолёта распределяется между несколькими колёсами. Для каждой модели шины заранее устанавливают допустимые нагрузку и скорость, а затем подтверждают их испытаниями.

Как колёса раскручиваются при касании

Привода для предварительной раскрутки колёс на большинстве пассажирских самолётов нет. К моменту посадки они почти неподвижны, поэтому нижняя часть шины сначала скользит по бетону. Трение создаёт крутящий момент и быстро разгоняет колесо, пока скорость протектора не сравняется со скоростью движения самолёта.

Если диаметр шины составляет около метра, при 250 км/ч колесо вращается примерно со скоростью 1 300 оборотов в минуту. У шины меньшего диаметра частота вращения будет выше.

Кратковременное скольжение нагревает и истирает верхний слой резины. Так появляются облачко бело-серого дыма и чёрные полосы в зоне приземления. Это не признак неисправности: протектор рассчитан на такие циклы. При проектировании учитывают вертикальное сжатие шины, усилие её раскрутки и последующее упругое восстановление.

Как давление и каркас удерживают многотонную нагрузку

Несущая способность пневматической шины во многом зависит от давления газа. Чтобы сравнительно небольшое колесо выдерживало несколько тонн, давление делают гораздо выше автомобильного. Например, в руководстве Goodyear приведена авиационная шина с рабочим давлением около 13,8 бара. Для сравнения: у автомобильной шины из того же примера оно составляет примерно 2,4 бара. Точное значение зависит от типа самолёта и колеса.

При этом шина не становится жёстким кольцом. Под нагрузкой её боковины прогибаются, а протектор образует плоское пятно контакта. Такая деформация предусмотрена конструкцией, но при каждом обороте она нагревает каркас.

Автор: Ank Kumar Источник: commons.wikimedia.org

Недостаточное давление усиливает прогиб, повышает температуру и перегружает боковины. В паре колёс часть нагрузки может перейти на соседнюю шину. Избыточное давление уменьшает пятно контакта, ухудшает сцепление и вызывает неравномерный износ.

Сама шина представляет собой композит из резины, высокопрочного корда и стали. В диагональной конструкции слои корда пересекаются под углом. В радиальной шине нити идут от борта к борту, а под протектором расположен отдельный окружной пояс. Стальные бортовые кольца удерживают шину на ободе, внутренний слой обеспечивает герметичность, а наружные боковины защищают силовой каркас.

Протектор остаётся расходной частью. После его износа шину снимают. Если каркас не повреждён и проходит проверку, протектор можно восстановить по утверждённой технологии.

Зачем в шинах используют азот

Шины крупных транспортных самолётов заполняют сухим азотом или другим допущенным инертным газом. Американские нормы требуют, чтобы в шинах на тормозных колёсах самолётов с максимальной взлётной массой более 75 000 фунтов, или примерно 34 тонн, содержание кислорода не превышало 5%, если безопасность не обеспечена другим одобренным способом.

Азот не поддерживает горение и замедляет окисление внутреннего слоя шины, корда и металлического колеса. В сухом газе почти нет водяного пара, который мог бы конденсироваться или замерзать при перепадах температуры.

Распространённое объяснение, будто азот почти не расширяется при нагреве, неверно. Его давление, как и давление воздуха, меняется с температурой. Преимущества азота заключаются в низком содержании кислорода, отсутствии влаги и стабильном составе.

Основное тепло создают тормоза

После касания самолёт замедляют аэродинамическое сопротивление, гасители подъёмной силы, реверс тяги и колёсные тормоза. Значительная часть оставшейся кинетической энергии превращается в тепло в многодисковых тормозных пакетах.

На многих крупных лайнерах используются углеродные тормозные диски. Они легче стальных и способны работать при высокой температуре. Антиюзовая система следит за вращением колёс и снижает тормозное давление при угрозе блокировки. Это сохраняет сцепление и предотвращает продолжительное скольжение, которое быстро разрушило бы протектор.

Ещё более тяжёлым режимом может стать прерванный взлёт. В этом случае самолёт разгоняется почти до скорости отрыва, после чего должен остановиться на оставшейся части полосы. Поэтому узел «колесо — тормоз — шина» испытывают на специальных стендах, проверяя его способность поглощать расчётную энергию.

Зачем нужны плавкие пробки

Тепло от тормозов переходит к металлическому колесу, газу и шине. Давление повышается, а нагретые материалы теряют прочность. Чтобы перегрев не привёл к разрушению колеса или разрыву шины, в обод устанавливают плавкие пробки. Они относятся к конструкции колеса, а не к самой резине.

Внутри пробки находится материал с заданной температурой плавления. При опасном нагреве он открывает канал и выпускает азот. Шина спускается, но давление снижается раньше, чем перегретый узел успевает разрушиться.

Как охлаждение продолжается после остановки

После освобождения полосы тормоза продолжают отдавать накопленное тепло ступице, ободу и шине. Поэтому максимальная температура колеса иногда достигается уже после остановки самолёта.

На некоторых машинах установлены электрические вентиляторы, прогоняющие воздух через тормозной узел. На других тормоза остывают естественно. Экипаж и технические службы контролируют температуру по датчикам или расчётным таблицам. Если узел остаётся слишком горячим, следующий вылет откладывают.

Давление в шинах проверяют после охлаждения, обычно перед первым вылетом. Стравливать газ из горячей шины из-за повышенного показания нельзя: после остывания давление окажется ниже нормы. Во время обслуживания также контролируют порезы, трещины, износ протектора и следы перегрева. После жёсткой посадки, интенсивного торможения или срабатывания плавкой пробки проводят дополнительные проверки.

Один и тот же гвоздь может привести к разным последствиям. Если он вошёл в центральную часть протектора, шину нередко удаётся восстановить. Если прокол находится на боковине или рядом с краем беговой дорожки, безопасным решением обычно остаётся замена. Разница объясняется не размером отверстия, а тем, какую часть силовой конструкции оно затронуло.

Автомобильная шина лишь кажется однородным резиновым изделием. Это композитная конструкция из нескольких видов резины, текстильных и стальных нитей. Протектор и боковина выполняют разные задачи и потому не могут ремонтироваться одинаково.

Из чего состоит радиальная шина

Герметичность бескамерной шины обеспечивает тонкий внутренний слой из воздухонепроницаемой резины. Под ним расположен каркас: нити корда проходят от одного борта к другому поперёк направления движения. Именно каркас удерживает давление и помогает шине сохранять форму.

Под протектором конструкцию дополнительно усиливают несколько жёстких поясов, чаще всего со стальным кордом. Они стабилизируют беговую дорожку, распределяют нагрузку в пятне контакта и защищают каркас от небольших ударов. Сверху находится толстый износостойкий слой резины с канавками и блоками протектора.

Боковина устроена иначе. Стальных поясов под ней обычно нет: нити каркаса закрыты сравнительно тонким и эластичным слоем резины. Боковина должна изгибаться при каждом обороте колеса, смягчать удары и позволять пятну контакта становиться плоским под массой автомобиля.

Почему центральный прокол иногда можно устранить

Гвоздь или саморез обычно оставляет в протекторе узкий канал. Если отверстие невелико, находится в разрешённой центральной зоне и шина не успела получить другие повреждения, силовая конструкция вокруг него продолжает распределять нагрузку. Жёсткие пояса ограничивают деформацию этого участка, поэтому правильно установленный ремонтный элемент работает в относительно стабильных условиях.

Полноценный ремонт решает две задачи. Канал нужно заполнить, чтобы внутрь не проникали воздух, вода и грязь, а герметичность внутреннего слоя — восстановить. Для этого применяют комбинированный элемент: его ножка проходит через отверстие, а широкая часть приклеивается изнутри.

Шину для такого ремонта снимают с колеса. Это позволяет увидеть направление прокола и проверить внутреннюю поверхность. Один только наружный жгут не даёт такой возможности: он способен остановить утечку, но не показывает, не разрушена ли боковина после движения без давления и не началось ли расслоение вокруг отверстия.

Согласно распространённым отраслевым требованиям для легковых автомобилей и лёгких грузовиков, диаметр ремонтируемого прокола не должен превышать примерно 6 миллиметров. Однако размер — лишь одно из условий. Даже маленькое отверстие нельзя автоматически считать безопасным для ремонта.

Почему боковина постоянно меняет форму

Во время движения участок боковины сжимается под нагрузкой, а после выхода из пятна контакта возвращается к исходной форме. На скорости этот цикл повторяется много раз в секунду, нагревая резину и корд.

Прокол в этой зоне может перерезать одну или несколько нитей каркаса. Заплата способна закрыть отверстие и временно удерживать воздух, но она не соединяет повреждённые силовые нити так, чтобы те снова работали как единое целое. Нагрузка перераспределяется на соседние участки, а место ремонта продолжает изгибаться при каждом обороте.

Кроме того, наклеенный материал образует более жёсткий участок внутри гибкой боковины. На его границе появляются дополнительные напряжения, а ремонт может разрушаться от циклического изгиба, нагрева и ударов.

Поэтому обычный ремонт боковины легковой шины не считается способом восстановления её исходной прочности. Причина запрета заключается не в невозможности заклеить резину, а в невозможности надёжно вернуть повреждённому каркасу расчётную несущую способность.

Почему плечо относится к запрещённой зоне

Граница между протектором и боковиной называется плечевой зоной. На ней ещё могут находиться блоки рисунка, поэтому повреждение иногда принимают за прокол протектора. Но здесь заканчиваются края стальных поясов и начинается переход к гибкой боковине.

Плечо одновременно испытывает изгиб, нагрев и высокие локальные нагрузки при поворотах. Ремонтный элемент может оказаться частично на жёстком поясе, а частично на подвижной боковине. Поэтому ремонтопригодной считают не всю поверхность с рисунком, а только центральную часть беговой дорожки, удалённую от плеч.

Когда прокол протектора тоже требует замены

Расположение в центральной зоне ещё не гарантирует возможность ремонта. Шину заменяют, если отверстие слишком велико, имеет форму длинного пореза, затронуло значительную часть корда или находится рядом с уже выполненным ремонтом. Опасны отслоения, трещины, видимые нити каркаса, повреждение борта и сильный износ протектора.

Особое значение имеет движение после потери давления. Спущенная шина сильно сминается, а её боковина может оказаться зажатой между ободом и дорогой. Каркас перегревается, нити ломаются, внутренний слой истирается и образует резиновую крошку. Снаружи при этом иногда остаётся только небольшое отверстие от гвоздя. Поэтому состояние шины оценивают после снятия с колеса, а не только по внешнему виду.

Отдельного подхода требуют шины Run Flat. Усиленная боковина позволяет некоторое время двигаться после потери давления, но сама эта поездка создаёт значительную тепловую и механическую нагрузку. Возможность ремонта определяется требованиями конкретного производителя и результатами внутреннего осмотра.

Вздутие на боковине также нельзя путать с обычным проколом. «Грыжа» означает, что часть нитей каркаса уже разрушена, а давление выталкивает наружу оставшийся слой резины. Устранение утечки здесь ничего не исправит: повреждён именно несущий каркас.

Почему место повреждения важнее его вида

Центральная часть протектора представляет собой сравнительно жёсткую многослойную зону, в которой небольшой прямой прокол можно герметизировать и защитить с обеих сторон. Боковина — гибкий силовой элемент, непрерывно работающий на изгиб. Её повреждение затрагивает нити, удерживающие форму шины, а обычная заплата не возвращает им первоначальную прочность.

Именно поэтому два одинаковых гвоздя, расположенные на расстоянии нескольких сантиметров друг от друга, могут привести к противоположным решениям. Ремонтопригодность определяется не тем, удерживает ли заплата воздух, а тем, способна ли вся конструкция после восстановления безопасно переносить давление, нагрузку, нагрев и миллионы циклов деформации.